CN106384643A - 一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，包括一圆环形的双面PCB板以及偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片，主印制板正反面的印制线通过过孔连接，形成绕线回路，贴片被等间隔串联进入主印制板绕线回路中，同时其放置方向垂直于主印制板，并且其分布指向主印制板的轴线。具有测量范围宽、绝缘性能好、线性度好，并克服电流互感器的磁饱和现象。同时，可以有效抵御平行于主印制板平面的外磁场产生的干扰；偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片，对于垂直于主印制板的外部干扰磁场而言，以圆环重中心的两个贴片的回路感应出的电动势方向相反，互相抵消，从而进一步减小了外部磁场的干扰。

Description

一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈

技术领域

本发明属于电力系统在线监测系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，用于对电力系统中避雷器运行状态的实时监测，以实时掌握避雷器健康寿命，保障电力系统的安全运行。

背景技术

避雷器是保证电力系统安全运行的重要设备，其本身运行状况的好坏将直接影响到电力系统安全与否。在额定运行电压下，正常的避雷器相当于绝缘体，不会有任何的动作产生。但在高电压的情况下，避雷器会被击穿，将大电流导入大地，有效地保护电力设备。但如果避雷器故障或失效，一旦雷击过电压侵入，将造成无法估量的生命和财产损失。

在能源互联网的发展趋势下，随着电网规模的扩大，研究避雷器运行状态的在线监测技术对于电力系统的安全运行具有愈发重要的实际意义。

目前的避雷器在线监测技术方案，主要集中在两个方向，其一是通过单一电流互感器或普通有源传感元件等电磁式电流互感器感应避雷器接地线的电流信号，通过信号处理，完成雷击阈值比较，计算雷击次数。其二，通过设计传感器，测试避雷器接地线电流信号，然后结合算法对电流信号进行分离，得到阻性电流值，根据阻性电流的大小判断避雷器的故障情况。以上技术方案中，在传感器部分暴露出很多问题，如易燃易爆、二次侧不能开路、测量范围小、频带窄等，并且在外部干扰很强的环境下对泄露电流的检测结果往往不能反应真实的情况，从而造成对避雷器运行状态的监测不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，以提高测量范围、绝缘性能、线性度，并克服电流互感器的磁饱和现象的同时，减少外部环境杂散磁场的影响(干扰)，以克服避雷器泄漏电流采集不够精确的缺陷。

为实现上述发明目的，本发明用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，包括：

一主印制板，主印制板为双面PCB板(印制电路板)，形状为圆环形，中心的通孔用于被测电流导体通过，所述被测电流导体接入到避雷器底端与大地之间；主印制板正反两面的印制线沿着圆环均匀布置，正反面印制线通过过孔依次连接，形成一个绕主印制板的绕线回路，绕线回路的两端作为主印制板的正负引出线与后续的信号处理模块连接；

偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片(即副印制板)，贴片上有形成回路的印制线，印制线的两端作为贴片的两个连接端；

所述的等间隔安装贴片在主印制板上为：主印制板上的正面印制线上等间隔切下一定长度的印制线，切断处为贴片连接点，所述的贴片的两个连接端与切断处的两个连接点进行连接，按照这种布线方式，对于主印制板而言，贴片被串联进入主印制板绕线回路中，作为绕线回路的一部分；

所述的贴片放置方向垂直于主印制板，并且其分布指向主印制板的轴线。

本发明的目的是这样实现的。

本发明用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，包括一圆环形的双面PCB板以及偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片，主印制板正反面的印制线通过过孔连接，形成绕线回路，贴片被等间隔串联进入主印制板绕线回路中，同时其放置方向垂直于主印制板，并且其分布指向主印制板的轴线。具有测量范围宽、绝缘性能好、线性度好，并克服电流互感器的磁饱和现象。同时，由于现场的强电磁场干扰，现有技术的电流互感器要采用多层屏蔽结构，还要设计信号处理算法对测量数据进行数字滤波处理以排除高频干扰及随机干扰，才可能得到较为准确的测试结果，而本发明中的罗氏线圈，采用主印制板来构建，可以有效抵御平行于主印制板平面的外磁场产生的干扰，同时，偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片，对于垂直于主印制板的外部干扰磁场而言，以圆环重中心的两个贴片的回路感应出的电动势方向相反，互相抵消，从而进一步减小了外部磁场的干扰。

附图说明

图1是现有技术罗氏线圈的结构示意图；

图2是罗氏型线圈等效电路；

图3是本发明用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈一种具体实施方式结构示意图；

图4是图3所示主印制板的结构及绕线示意图；

图5是图3所示贴片的内部绕线结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为克服现有条件下，对避雷器泄漏电流采集不够精确的问题，本发明提出了一种基于用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，基于PCB进行设计，具有测量范围宽、绝缘性能好、线性度好、无磁饱和现象的特点，提高了避雷器在线监测的性能。

现有技术中，泄漏电流采集模块设计选择中，设计电流互感器应该考虑以下因素：

(1)、能够满足测量小电流(uA级)，并且保证较高的灵敏度；

(2)、有很好的线性度，输出的电流波形不变形。

避雷器的泄漏电流通过所设计的电流互感器从避雷器底端接地线上提取。在正常工作时，避雷器的泄漏电流不到1mA，如果铁心采用高磁导率的坡莫合金材料，电流互感器的失真很小。由于现场的强电磁场干扰，电流互感器要采用多层屏蔽结构，还要设计信号处理算法对测量数据进行数字滤波处理以排除高频干扰及随机干扰，才可能得到较为准确的测试结果。

鉴于电流互感器的上述问题，本发明采用PCB型罗氏线圈来采集避雷器泄漏电流，其特点为：罗氏线圈是一种将导线1(漆包线)均匀绕制在非磁性环形骨架2上的空心线圈，测量时，将被测电流导体3从线圈中轴穿过，被测电流i₁(t)不需与罗氏线圈直接接触，其结构示意图如下图1所示。

根据电磁感应定律，被测电流i₁(t)将在罗氏线圈中产生一个随时间变化的磁场H，H为垂直于线圈截面方向的磁场强度，根据安培环路定律：

假设罗氏线圈距中轴为r，被测电流i₁(t)在距罗氏线圈r处的磁场强度为：

$H=\frac{i_1}{2\mathrm{\π}r}---\left(2\right).$

对应的感应强度为由电磁感应定律有

上式中的为总的磁链，且其为假定罗氏线圈截面为S，高为h，S＝h·r，N为罗氏线圈总匝数，所以有：

$e\left(t\right)=\frac{d(N\·\mathrm{\φ})}{dt}=\frac{d(B\·S)}{dt}=-B\frac{dS}{dt}---\left(4\right).$

根据式(4)，可计算得每匝线圈的磁通为：

所以罗氏线圈上的感应电势e(t)可表示为：

$e\left(t\right)=-\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}=-\frac{u_{0}Nh}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{b}{a}\·\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}---\left(6\right)$

令当罗氏线圈均匀绕制，且满足线圈截面积处处相等，截面各点磁感应强度相同的情况下，线圈的感应电动势e(t)为：

$e\left(t\right)=-M\·\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}---\left(7\right).$

其中，M为罗氏线圈与被测电流导体之间的互感系数，它会对母线引起一定的负载效应，但该效应对线圈的影响极其微弱，可忽略不计。当不考虑线圈分布电容的影响时，罗氏线圈的自感系数L近似为：

$L=\frac{u_0{N}^{2}h}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{b}{a}---\left(8\right).$

上面推导获得的有关线圈的互感系数和的自感系数的表达式，是不考虑线圈结构参数影响前提下获得的理论计算值。以上各式中：

u₀—真空磁导率，u₀＝4π×10^-7H/m；

N—绕组匝数；h—骨架高度，单位：米；

b—骨架外径，单位：米；a—骨架内径，单位：米；

r—线圈骨架的任意半径，单位：米；

i₁—载流导线中的瞬时电流，单位：安。

从上面的推导可以得出，罗氏线圈的输出电压与被测电流导体3中电流对时间的导数成正比，罗氏线圈的输出相当于一个微分关系，输出电压与被测电流i₁(t)之间相位相差90°，对其进行积分即可得到与被测电流成线性关系的物理量，达到还原电流信号的目的，实现对电流的测量。

在本发明中，罗氏线圈基于PCB设计，制作时，主印制板采用双面PCB板，形状为圆环形，正反两面的印制线之间通过过孔依次连接，按此方法加工的线圈克服了普通罗氏线圈的缺点，具有线匝截面积均匀、参数分散性小、尺度精确等特点。

本发明的PCB型罗氏线圈在测量雷击电流时，其基本工作原理、自感系数和互感系数的估算方法和普通罗氏线圈一样。在罗氏线圈后面加一采样电阻R，其等效电路如图2所示。

本发明旨在制作高精度罗氏线圈，遵循原则为：线圈密度恒定，骨架截面积恒定；线圈截面与中心线垂直。基于此，本发明设计了一种新型的罗氏线圈，即PCB型罗氏线圈，也即印刷电路板型PCB罗氏线圈。一般空心罗氏线圈的设计精度最高可以达到0.1％，实际应用时通常为1％-3％，原因在于制作精度不高。基于印制电路板设计的罗氏线圈，从制造工艺上来说，完全是采用机器加工实现的，无任何人工的操作，可以做得很精确，误差级别可达到0.025mm(千分之一英寸)左右。PCB型罗氏线圈为双面PCB板，上下两面导线之间通过过孔连接。

图3是本发明用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图3所示，本发明中罗氏线圈包括主印制板4以及偶数个等间隔安装在主印制板4上的贴片5(即副印制板)。在本实施例中，贴片5的数量为8片，贴片5放置方向垂直于主印制板4，并且其分布指向主印制板4的轴线。

图4是图3所示主印制板的结构及绕线示意图。

在本实施例中，如图5所示。主印制板4为双面PCB板(印制电路板)，形状为圆环形，中心的通孔401用于被测电流导体(未画出)通过。主印制板4正反两面的印制线402、403沿着圆环均匀布置，正反面印制线402、403通过过孔404依次连接，形成一个绕主印制板的绕线回路，绕线回路的两端405、406作为主印制板4的正负引出线+、-与后续的信号处理模块连接。

在具体实施过程中，为增加互感系数，主印制板4包括多块双面PCB板，双面PCB板重叠在一起，相邻双面PCB板的负引出线-与正引出线+连接在一起，使得多块双面PCB板上的印制线绕制方向一致并相互叠加，增强互感系数，这样，以第一块的正引出线+、最后一块的负引出线-作为主印制板4的正负引出线+、-与后续的信号处理模块连接。

主印制板4上的正面印制线402上等间隔切下一定长度的印制线，切断处为贴片连接点407。在本实施例中，是在正面印制线402上等间45度，这样有8组贴片连接点407。

在本实施例中，图3所示的贴片5的两个连接端与切断处的贴片连接点407进行连接，按照这种布线方式，对于主印制板4而言，贴片5被串联进入主印制板4绕线回路中，作为绕线回路的一部分。

主印制板4的作用除了固定贴片5(即副印制板)外，主要用来有效抵御平行于主印制板4平面的外磁场产生的干扰，贴片5安装在主印制板4上，与主印制板4正反两面的印制线402、403串联。主印制板4依次等间隔安装的贴片5(贴片5的多少与所要求的测试精度有关)上有形成回路的印制线，并且通过印制线形成串联结构，如图5所示。作为副印制板的贴片5而言，其自身形成一个回路，对于垂直于主印制板4的外部干扰磁场而言，对称贴片5的两回路感应出得电动势方向相反，互相抵消，从而减小了外部磁场的干扰。

在本实施例中，如图5所示，贴片5内部绕线可以绕成多匝，以增加贴片的互感系数，其中实线为正面印制线，虚线为反面的印制线，通过过孔连接。贴片5制作精度要求也很高，所以，主印制板4和作为副印制板即贴片5要分开设计，安装时，通过将贴片5的两个连接端分别与主印制板4上的切断处的两个连接点通过焊接连接起来。组装到主印制板4上的精度也要有保障，要采用焊接工艺安装。焊接时必须保证贴片5与主印制板4的垂直，被测电流导体应该垂直的穿过主印制板4的中心轴。贴片5上的绕线层数和绕制形状可以根据具体设计而定，其形状一般有螺旋形、椭圆形、矩形等，本实施例使用的是矩形。

贴片5即副印制板的精确与否直接影响到本发明的PCB型罗氏线圈的性能，为了有效抵御平行于主印制板4平面的外磁场产生的干扰，贴片5在主印制板4上的位置要均匀，放置方向垂直于主印制板4，并且其分布指向主印制板4的轴线。为了得到足够的感应电动势，一块主印制板4上可以加上很多同型号的贴片，这样可以增加整个线圈的互感系数，其数量应该保持为偶数，如四片、八片或十六片等。

本发明用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈结合信号处理电路，制作电流传感器。同时，本发明的基于PCB的罗氏线圈由于制作准确度高、结构简单、重量轻、体积小、绝缘性能好，制作过程是采用全套自动化，用户可以根据需求，选择不同的型号，这样将更加有利于罗氏线圈的标准化和自动化。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种用于电力系统中避雷器电流信号采集的罗氏线圈，其特征在于，包括：

一主印制板，主印制板为双面PCB板(印制电路板)，形状为圆环形，中心的通孔用于被测电流导体通过，所述被测电流导体接入到避雷器底端与大地之间；主印制板正反两面的印制线沿着圆环均匀布置，正反面印制线通过孔依次连接，形成一个绕主印制板的绕线回路，绕线回路的两端作为主印制板的正负引出线与后续的信号处理模块连接；

偶数个等间隔安装在主印制板上的贴片(即副印制板)，贴片上有形成回路的印制线，印制线的两端作为贴片的两个连接端；

所述的等间隔安装贴片在主印制板上为：主印制板上的正面印制线上等间隔切下一定长度的印制线，切断处为贴片连接点，所述的贴片的两个连接端与切断处的两个连接点进行连接，按照这种布线方式，对于主印制板而言，贴片被串联进入主印制板绕线回路中，作为绕线回路的一部分；

所述的贴片放置方向垂直于主印制板，并且其分布指向主印制板的轴线。

2.根据权利要求1所述的罗氏线圈，其特征在于，所述贴片上的绕线绕制形状为矩形。

3.根据权利要求1所述的罗氏线圈，其特征在于，所述贴片数量为8片。

4.根据权利要求1所述的罗氏线圈，其特征在于，所述主印制板包括多块双面PCB板，双面PCB板重叠在一起，相邻双面PCB板的负引出线-与正引出线+连接在一起，使得多块双面PCB板上的印制线绕制方向一致并相互叠加，增强互感系数，这样，以第一块的正引出线+、最后一块的负引出线-作为主印制板4的正负引出线+、-与后续的信号处理模块连接。